基于速度分布控制的离心叶轮三维气动优化设计方法的研究

发布时间：2017-09-26 19:27

  本文关键词：基于速度分布控制的离心叶轮三维气动优化设计方法的研究

  更多相关文章： 离心叶轮 三维叶片 优化设计 可压缩 旋转与曲率 速度分布

【摘要】：离心式叶轮机械是流体机械中应用最广泛的类型之一,大量应用于冶金、矿山、化工、土木等一般工业领域以及航空、电站、船舰等高端领域,在国民经济尤其是国家工业体系中占据重要的地位。随着节能减排在促进可持续发展中的重要性日益凸显,在保证生产或生活的同时降低能源消耗就必须着手于提高能源利用率。提高离心式叶轮机械的气动性能能可观地降低其应用领域整体的能源消耗。本文在总结现有三维叶片优化理论及方法的基础上,进一步改进三维叶片优化理论与方法,使优化模型更加完善。本文提出的离心叶轮优化设计方法从造成离心叶轮流动损失的根源出发,通过控制叶轮流道内的边界层增长与分离、二次流与分层效应对离心叶轮中普遍存在的射流尾流结构进行控制,从而减少叶轮的流动损失提高流动效率。研究表明,叶轮流道内合理的速度分布对控制流道内上述流动效应至关重要。在总结前人研究工作的基础上,选取了如下参数来建立叶轮流道内合理的速度分布模型：通过平均相对速度最大减速比及其位置,建立平均相对速度沿流线的分布模型；通过吸力面上的最大载荷系数及其位置,建立吸力面相对速度的分布模型。优化设计方法还考虑了气体的压缩性,提高优化设计结果的准确性,优化设计的判定依据是边界层最薄,在计算边界层时,建立了考虑叶轮旋转与叶片曲率可压缩边界层计算方程,保证了边界层计算的精准度。在叶片成型时采用流线曲率法,流道内最优相对速度分布确定的同时可以方便地确定叶片的三维型线,从而完成叶片优化设计。编写出三维叶片优化设计程序后,经过调试运行最终优化设计出三维叶片,并进行CFD模拟验证,模拟结果表明,优化设计所得到的叶轮流道内边界层发展得到有效控制,边界层更薄,二次流强度较弱,射流尾流结构减弱,从而减小流动损失,提高叶轮的流动效率。
【关键词】：离心叶轮 三维叶片 优化设计 可压缩 旋转与曲率 速度分布
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK05
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 离心叶轮优化设计方法的发展与现状12-19
• 1.2.1 离心叶轮结构特点及流动特征12-14
• 1.2.2 流线曲率法的发展14-16
• 1.2.3 正反问题耦合的优化设计方法16-18
• 1.2.4 控制速度分布的优化设计方法18-19
• 1.3 考虑可压缩效应的离心风机优化设计19-20
• 1.4 叶轮机械内流数值计算的发展与现状20-23
• 1.4.1 无粘的数值计算20-22
• 1.4.2 考虑粘性的数值计算22-23
• 1.5 本文的主要工作23-25
• 第2章 基于流动效应控制的离心叶轮三维气动设计理论基础25-41
• 2.1 离心叶轮内的流动效应25-30
• 2.1.1 旋转和曲率影响下的边界层25-27
• 2.1.2 旋转和曲率导致的二次流27-28
• 2.1.3 旋转和曲率导致势流的分层效应28-30
• 2.2 离心叶轮叶片表面边界层计算30-37
• 2.2.1 考虑旋转与曲率的边界层计算31-32
• 2.2.2 考虑旋转与曲率的可压缩边界层计算32-37
• 2.3 离心叶轮流道内相对速度分布模型37-39
• 2.3.1 平均相对速度分布模型38-39
• 2.3.2 吸力面相对速度分布模型39
• 2.4 本章小结39-41
• 第3章 基于流动效应控制的离心叶轮三维气动设计方法41-60
• 3.1 子午面流线的确定方法41-47
• 3.1.1 柱坐标系下的欧拉方程41-42
• 3.1.2 空间流线相关物理量及其相互关系42-43
• 3.1.3 子午面流线的基本方程43-45
• 3.1.4 流量校核与流线反插45-47
• 3.2 回转面空间流线的确定方法47-51
• 3.2.1 叶片载荷47-49
• 3.2.2 考虑旋转与曲率的边界层计算49-51
• 3.3 密度场的计算51-52
• 3.4 离心叶轮叶片优化设计流程52-58
• 3.4.1 优化设计的总流程52-53
• 3.4.2 初始模块53-54
• 3.4.3 子午面流线迭代模块54-56
• 3.4.4 叶片成型模块56-58
• 3.5 本章小结58-60
• 第4章 设计实例及数值模拟结果分析60-91
• 4.1 优化设计实例60-63
• 4.1.1 总体结构参数60-62
• 4.1.2 相对速度分布模型参数62-63
• 4.2 优化设计结果63-69
• 4.3 数值模拟与结果分析69-73
• 4.3.1 几何建模69-71
• 4.3.2 网格划分71-72
• 4.3.3 数值模拟72-73
• 4.4 结果分析73-89
• 4.4.1 压缩性影响分析73-83
• 4.4.2 性能对比83-84
• 4.4.3 二次流84-89
• 4.5 本章小结89-91
• 第5章 总结与展望91-93
• 5.1 文章总结91-92
• 5.2 研究展望92-93
• 参考文献93-97

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